Электронная спектроскопия микро- и наноструктур в сильном электрическом поле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, доктор физико-математических наук Юмагузин, Юлай Мухаметович

• Юмагузин, Юлай Мухаметович
• доктор физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Юмагузин, Юлай Мухаметович

введение.

глава i. распределение электронов по энергиям при полевой эмиссии.

Введение.

1.1. Энергетическое распределение электронов в модели свободных электронов.

1.1.1. Распределение по энергиям от нормальной составляющей скорости электронов.

1.1.2. Распределение по энергиям от поперечной составляющей скорости электронов.

1.1.3.Распределение электронов по полным энергиям.

1.2. Энергетическое распределение электронов при произвольном законе дисперсии в металле.

1.3. Связь распределения электронов по полным энергиям с характеристикой Фаулера-Нордгейма.

глава ii. угловое распределение эмитированных электронов.

Введение.

2.1. Проявление углового распределения в эмиссионной микроскопии.

2.2. Угловое распределение в электронных источниках.

2.3. Угловое распределение плотности эмиссионного тока.

2.4. Измерение углового распределения эмиссионного тока.

2.4.1. Основные предпосылки.

2.4.2. Распределение плотности тока за анодом.

2.4.3. Распределение полного тока.

2.4.4. Оценка возможных мешающих факторов.

2.4.5. Экспериментальные измерения углового распределения.

2.5. Возможности экспериментального метода исследований углового распределения электронов.

глава iii. анализаторы энергий для полевой электронной спектроскопии.

Введение.

3.1. Характеристики анализаторов электронов по энергиям.

3.2 Расчет траекторий электронов в цилиндрических линзах.

3.3 Анализатор энергий с задерживающим полем.

3.4. Дисперсионный анализатор электронов по энергиям.

3.5 Конструкции экспериментальных приборов.

3.6. Управляющий измерительно-вычислительный комплекс для полевой электронной спектроскопии.

3.7. Методика измерения энергетического распределения электронов.

глава iv. электронная спектроскопия с чистых поверхностей металла.

Введение.

4.1. Исследования термополевой электронной эмиссии.

4.2. Исследования фотополевой электронной эмиссии.

4.3. Энергетическое распределение при высоких плотностях тока.

4.3.1. Многочастичное туннелирование.

4.3.2. Исследования энергетического распределения электронов при высоких плотностях эмиссионного тока.

4.3.3. Сопоставление результатов эксперимента с различными теориями.

4.4. Взаимодействие электронов после эмиссии в вакууме.

4.4.1. Статистическое описание процесса полевой электронной эмиссии.

4.4.2. Расчетная модель взаимодействия электронов в потоке.

4.4.3 Расчет уравнений движения взаимодействующих электронов.

глава v. исследования энергетического распределения электронов из субмикрокристаллических металлов.

Введение.

5.1. Особенности структуры СМК металлов.

5.1.1. Микроструктура.

5.1.2. Атомная структура.

5.1.3. Двухфазная модель строения субмикрокристаллического металла.

5.1.4. Электронная структура.

5.2. Исследования энергетического распределения.

5.2.1. Подготовка образцов для исследований.

5.2.2. Распределения электронов по полным энергиям из СМК №.

5.2.3. Распределения электронов по полным энергиям из СМК

глава vi. электронная спектроскопия углеграфитовых наноструктур.

Введение.

6.1. Электрофизические свойства углеграфитовых материалов.

6.2. Внутреннее строение углеродного ПАН-волокна.

6.3. Изготовление углеграфитовых эмиттеров.

6.3.1. Способы крепления эмиттера.

6.4. Исследования углеграфитовых материалов.

6.4.1. Краткий обзор экспериментальных исследований.

6.4.2. Исследования энергетического распределения электронов из углеродного ПАН-волокна.

глава vii. электронная спектроскопия тонких углеродных пленок.

Введение.

7.1. Основные способы получения алмазоподобных покрытий.

7.2. Электрофизические свойства алмазоподобных пленок.

7.3. Эмиссионные характеристики образцов алмазных пленок.

7.4. Получение и исследование углеродных покрытий.

7.4.1. Плёнки, полученные методом парофазного осаждения.

7.4.2. Ионно-лучевая установка для нанесения углеродных покрытий.

7.4.3. Исследование углеродных покрытий, полученных методом ионно-лучевого осаждения.

7.4.4. Основные представления о процессе роста алмазной пленки.

7.5. Исследование полученных образцов.

7.5.1. Вольтамперные характеристики эмиссионного тока.

7.5.2. Энергетические распределения эмитированных электронов.

7.6. Физические модели полевой эмиссии вольфрамового острия с алмазоподобным покрытием.

7.7. Полевая эмиссия из тонкопленочных полимерных покрытий.

7.7.1. Способ приготовления образцов.

7.7.2. Электронная спектроскопия структуры металл-полимер-вакуум.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронная спектроскопия микро- и наноструктур в сильном электрическом поле»

Одно из ведущих мест среди методов исследования твердых тел и их поверхности принадлежит методам электронной спектроскопии. Изучение электронных свойств микро- и наноструктур (сверхтонкие полупроводящие и диэлектрические пленки, нанотрубки, наноразмерные в объеме частицы) является важной, но чрезвычайно сложной задачей физической электроники, которая продиктована потребностями современных отраслей науки и техники таких, как микро- и наноэлектроника, квантовая электроника, кристаллография и многих других. Важное место среди характера электронных свойств материалов имеют энергетические спектры и угловые распределения эмитированных электронов из твердого тела при различных внешних воздействиях, которые содержат важную информацию об элементном составе, геометрическом строении, электронных свойствах и фононном спектре исследуемых объектов. Важнейшими среди всего многообразия электронных свойств материалов являются следующие: дисперсия электронов по энергиям, процессы локализации-делокализации электронов на поверхностных состояниях, транспортные явления. Все они находятся в тесной связи с химическим и фазовым составом, а также геометрической структурой твердых тел.

Среди множества экспериментальных методов, используемых для исследования электронных свойств твердых тел, особое место занимает полевая электронная спектроскопия - метод, отличающийся высокой информативностью и чувствительностью. Эти качества обусловлены самим явлением полевой эмиссии электронов - сохранением невозмущенного состояния электронов после туннелирования из твердого тела через барьер в вакуум. При этом сам метод позволяет рамках одного эксперимента одновременно производить измерение энергетического распределения электронов и наблюдать изображения эмитирующей 6 поверхности образца с высоким пространственным разрешением. Кроме этого, при снятии энергетического распределения электронов оказывается возможным зондирование эмитирующей поверхности в нанометровом масштабе.

Метод полевой электронной спектроскопии реализуется в сильных электрических полях. Вместе с тем вид кривой энергетического распределения электронов зависит от величины приложенного электрического поля, температуры образца, проводимости, плотности эмиссионного тока, внешнего излучения, состояния эмитирующей поверхности. От этих параметров может зависеть также и угловое распределение эмитированных электронов. Поэтому проведение электронной спектроскопии в сильном электрическом поле при изменении параметров образца и различных внешних воздействиях дает возможность получить информацию фундаментального характера об электронных свойствах образца и процессах, протекающих на его поверхности.

Особо актуальным для современной науки и техники является изучение закономерностей процесса эмиссии электронов из новых материалов, например, наноструктурированных металлов и углеродных материалов. Наиболее известными примерами таких материалов являются металлы подвергнутые интенсивной пластической деформации, алмазоподобные пленки, фуллерены, углеродные нанотрубки, полимерные пленки и углеродные волокна. Например, для алмазоподобных пленок до сих пор точно не установлен механизм переноса электронов через слабо проводящие алмазоподобные слои и их последующей эмиссии в вакуум. То же можно сказать и полимерных пленках. Уникальные физико-химические характеристики этих материалов делают их перспективными для создания точечных источников электронов для рентгеновских и электронно-зондовых устройств, сверхминиатюрных вакуумных ламп, плоских дисплеев и т.д. Вместе с тем, экспериментальных работ по 7 изучению электронных свойств указанных материалов методом полевой электронной спектроскопии чрезвычайно мало, а по некоторым и вовсе нет, потому проведение подобных исследований представляется актуальным.

Цель работы состояла в развитии методов эмиссионной электронной спектроскопии в сильных электрических полях и их использовании для исследования закономерностей полевой электронной эмиссии из микро- и наноструктурированных материалов различной природы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработаны и изготовлены новые (на момент их создания) установки для исследования энергетического распределения электронов по энергиям в сильном электрическом поле и развита методика проведения таких исследований, обеспечивающие получение достоверных экспериментальных данных; изучено влияние условий осуществления полевой эмиссии (величины электрического поля, плотности эмиссионного тока, температуры и состояния эмитирующей поверхности) на энергетические распределения электронов; исследованы закономерности полевой электронной эмиссии из наноструктурированных и углеродных материалов, а также влияние структуры поверхности на эмиссионные свойства этих материалов; проверена адекватность известных физических моделей, позволяющих определить возможности практического использования полевых эмиттеров в различных электрофизических устройствах. Научная новизна работы.

1. Проведены детальные исследования закономерностей энергетического распределения электронов, эмитируемых из вольфрама при высоких плотностях эмиссионного тока. Предложен физический механизм, объясняющий возникновение низко- и высокоэнергетических «хвостов» в 8 кривых распределения и создана расчетная модель распределения электронов по полным энергиям при разных величинах плотности эмиссионного тока.

2. Предложен способ определения функции распределения электронов по поперечным составляющим импульса при выходе электрона из поверхности эмиттера в вакуум. Показана возможность адекватного определения закона дисперсии электронов в металлах с использованием распределения электронов по поперечным составляющим импульса и распределения электронов по полным энергиям с зондируемого участка поверхности эмиттера.

3. Экспериментально исследованы эмиссионные характеристики алмазоподобных пленок, впервые полученных ионно-лучевым осаждением на вольфрамовых остриях, и предложена феноменологическая модель эмиссии из структуры металл-алмазоподобная пленка.

4. Впервые исследованы эмиссионные свойства полимерной (полидифениленфталид) пленки в сильных электрических полях и определено эффективное значение электронной работы выхода системы металл-полимер, оказавшееся равным всего 0.4 эВ. Исследованы зависимости кривых энергетического распределения электронов из полимерной пленки, нанесенной на металлическую поверхность, от величины эмиссионного напряжения и доказано образование канала проводимости, индуцированного сильным электрическим полем. Научная и практическая ценность работы.

Разработано и создано несколько модификаций анализаторов энергии электронов и установок для реализации метода полевой электронной спектроскопии. Так, изготовленный дисперсионный анализатор энергий электронов позволял зондировать поверхность образца в нанометровом масштабе и получать, кроме распределения электронов по полным энергиям, также и распределения электронов по поперечным 9 составляющим скорости. Совокупность кривых распределения электронов по полным энергиям и распределения по поперечным составляющим скорости дает возможность определить закон дисперсии электронов в металлах.

Результаты проведенных экспериментальных исследований энергетического распределения электронов из вольфрама при высоких плотностях эмиссионного тока и расчетов, выполненных по предложенной модели, являются неотъемлемой частью разработки любых электронно-зондовых устройств с точечными полевыми эмиттерами.

Доказаны преимущества метода ионно-лучевого осаждения для получения тонких углеродных плёнок с алмазной структурой и малым содержанием примесей на поверхностях металлических острий. Предложенный метод является оптимальным для изготовления полевых эмиттеров с алмазоподобными покрытиями. Определены оптимальные с точки зрения стабильности и величины тока эмиссии характеристики алмазоподобных плёнок: толщина покрытия, энергия и доза осаждаемых частиц, рабочее напряжение. Развитая в работе методика полевой электронной спектроскопии из металлических острий, покрытых полупроводящей (алмазоподобной) плёнкой, может быть рекомендована для изучения эмиссионных свойств систем металл-полупроводник и металл-диэлектрик.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Результаты расчетов, конструкции анализаторов электронов по энергиям и комплексная измерительная установка для проведения электронной спектроскопии в сильных электрических полях с возможностью одновременного наблюдения эмитирующей поверхности в нанометровом масштабе.

10

2. Методика измерения распределения электронов по поперечным составляющим импульса при полевой эмиссии из атомарно-гладкой поверхности металла.

3. Протяженность и интенсивность высокоэнергетических «хвостов» экспериментального распределения электронов по полным энергиям из металла при высоких плотностях эмиссионного тока зависит только от величины плотности эмиссионного тока. Теоретическое обоснование механизма возникновения низко- и высокоэнергетических «хвостов» распределения электронов по энергиям и процедура расчета парного кулоновского взаимодействия электронов в вакууме, подтверждающие результаты экспериментальных исследований.

4. Наличие неравновесного нанокристаллического состояния металла приводит к качественному изменению кривой распределения по полным энергиям электронов при полевой эмиссии. Эмиссия электронов из областей, содержащих границы микрозерен, сопровождается появлением дополнительного пика на энергетическом распределении электронов ниже основного пика в окрестности уровня Ферми, соответствующего равновесному состоянию объема металла.

5. Технология осаждения тонких углеродных пленок на вольфрамовых остриях и результаты исследования закономерностей электронной эмиссии из системы металл-алмазоподобная пленка методом полевой электронной спектроскопии.

6. Совокупность результатов исследования эмиссионных характеристик системы металл-полимерная (полидефинелинфталид) тонкая пленка, показывающих аномальное низкое значение работы выхода (0,4 эВ) и образование канала проводимости, индуцированного внешним сильным электрическим полем.

11

Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, были доложены и обсуждены на отечественных и международных симпозиумах, конференциях и школах: на XVII, XIX- XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Ленинград, 1978, 1990; Ташкент, 1984; Киев, 1987), на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по электронной технике (Ленинград, 1981), на V Всесоюзном симпозиуме по не накаливаемым катодам (Томск, 1985), на Всесоюзной школе-семинаре по эмиссионным явлениям (Валдай, 1986), на XII - XIII Международном семинаре по физике поверхности (Вроцлав, ПНР, 1987, 1989), на XIII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1987), на Межотраслевом совещании по полевой эмиссионной микроскопии (Харьков, 1989), на IV- V Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1998,2000), на Международном семинаре «Дислокации и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 1999), на III Международной конференции по оптике заряженных частиц (Тулуз, Франция, 1990), на Международной конференции по вакуумным источникам электронов (Эйндховен, Нидерланды, 1996), на Международном конгрессе по вакуумной микроэлектронике (С-Петербург, 1996), на Международных симпозиумах по полевой эмиссии (Осака, Япония, 1987; Руан, Франция, 1994; Москва, 1996; Питсбург, США, 2000; Берлин, Германия, 2001; Вена, Австрия, 2004), на V Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», (С-Петербург, 2006).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 37 работ в реферируемых научных журналах и кроме этого в сборниках тезисов докладов научных конференций и симпозиумов. Список основных публикаций по теме работы приведен в конце диссертации.

12

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором, начиная с 1978 года. Личный вклад автора в работах, опубликованных с соавторами, заключается: - в постановке задач, формулировке основных экспериментальных и теоретических методов их решения; в создании экспериментальной установки и проведении экспериментальных исследований; в анализе полученных экспериментальных результатов и их интерпретации; в разработке теоретических моделей исследуемых объектов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Все главы имеют вводную часть, в которых сформулированы основные цели по данной главе. Общее заключение написано в конце диссертации. Там же приведен список публикаций автора и список цитируемой литературы из 311 наименований. Объем диссертации составляет 340 страниц.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Юмагузин, Юлай Мухаметович

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бахтизин Р.З., Юмагузин Ю.М. Автофотоэлектронный умножитель в одноэлектронном режиме. // Электронная техника. Сер.4, № 3, 1980, с.17-20.

2. Бахтизин Р.З., Юмагузин Ю.М. Временные характеристики канального умножителя ВЭУ-6. // Приборы и техника эксперимента. № 1, 1982, с.145

3. Бахтизин Р.З., Юмагузин Ю.М. Полевая зависимость тока автофотоэлектронной эмиссии из вольфрама. // Поверхность. № 10, 1984, с.41-43.

4. Бахтизин Р.З., Юмагузин Ю.М. Анализатор энергетического спектра автоэлектронов. // Приборы и техника эксперимента. № 3, 1982, с.212-216.

5. Бахтизин Р.З., Лобанов В.М., Юмагузин Ю.М. Автоматизированная установка для снятия В АХ тока полевой электронной эмиссии. // Приборы и техника эксперимента. № 3, 1985г. с.211-212.

6. Бахтизин Р.З., Лобанов В.М., Юмагузин Ю.М. Автоматизированная установка для снятия ВАХ автоэмиссионных катодов. // Измерительная техника. №10, 1986, с.51-52.

7. Бахтизин Р.З., Юмагузин Ю.М. Исследование высокоэнергетического края распределения автоэлектронов по полным энергиям. // Поверхность. №7 1987, с.51-55.

8. Бахтизин Р.З., Лобанов В.М., Юмагузин Ю.М. Управляющий вычислительный комплекс для исследования энергетического распределения автоэлектронов. // Приборы и техника эксперимента. № 4, 1987, с.247-248.

9. Юмагузин Ю.М. Энергетическое распределение автоэлектронов из вольфрама при высоких плотностях тока. Автореф. диссертации к.ф.-м.н. Ленинград, 1988.

10. Бахтизин Р.З., Фурсей Г.Н., Птицын В.Э., Юмагузин Ю.М. Эмиссионные характеристики автокатодов с локализацией эмиссии в малых телесных углах. // Известия Академии наук СССР. № 7, Т.52, 1988, с,1250-1253.

11. Бахтизин Р.З., Юмагузин Ю.М High-Energy Tails in the Total Energy Distribution of Field Emitted Electrons from Tungsten. // Phys. Stat. Sol. B, 150, 103, 1988, p.103-108.

12. Бахтизин P.3., Месяц В.Г., Шкуратов С.И., Юмагузин Ю.М Peculiarities of field electron emission from high-temperature super-conductors. // Gournal de Physigue. T. 49 , G6, 1988, p.495-500.

13. Бахтизин P.3., Кучербаев Г., Лобанов В.М., Юмагузин Ю.М. Расчет траекторий электронов в электростатических линзах. // Радиотехника и электроника. № 7, 1988, с. 1556-1558.

319

14. Бахтизин Р.З., Месяц В.Г., Шкуратов С.И., Юмагузин Ю.М. Энергетические спектры автоэлектронов из высокотемпературных сверхпроводников. // Физика металлов и металловедение. Т. 67, № 3, 1989, с.610-611.

15. Гоц С.С., Бахтизин Р.З., Суворов A.JL, Юмагузин Ю.М., и др. Низкочастотные флуктуации автоэлектронного тока системы двуокись урана остаточные газы. // Поверхность. Физика, Химия, Механика. № 2, 1992, с. 87-92.

16. Бахтизин Р.З., Пшеничнюк С.А, Юмагузин Ю.М. Механизм роста и структура аморфных углеродных пленок, полученных методом химического парофазного осаждения. // Вестник БашГУ - Уфа, №3(1), 1998, с.12-14.

17. Зубаиров JI.P., Литвинов Е.А., Мулюков P.P., Юмагузин Ю.М. Исследование электронной структуры субмикрокристаллического никеля методом полевой электронной спектроскопии. Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах: Сб.статей в 3-х томах Т.1. // БашГУ -Уфа, 1999

18. Зубаиров Л.Р., Мусалимов Р.Ш., Мулюков P.P., Юмагузин Ю.М. Особенности полевой электронной эмиссии из субмикрокристаллического никеля. Сборник научных трудов. Екатеринбург // УрО РАН, 1999, с.278-285

19. Бахтизин Р.З, Пшеничнюк С.А, Юмагузин Ю.М. Рост алмазных кристаллитов при ионно-лучевом осаждении углеродных пленок. // Поверхность. Физика, Химия, Механика. № 10, 2000, с.9-12.

20. Бахтизин Р.З, Пшеничнюк С.А, Юмагузин Ю.М. Энергетическое распределение электронов, эмиттированных из алмазной пленки под действием сильного поля. // Письма в ЖТФ, т.25, вып. 15, 1999, с.46-52

21. Пшеничнюк С.А, Юмагузин Ю.М. Влияние тонкого алмазоподобного покрытия на эмиссионные характеристики вольфрамовых острий. // Письма в ЖТФ, т.26, вып.2, 2000,с.72-76.

22. Зубаиров Л.Р., Литвинов Е.А., Мулюков P.P., Юмагузин Ю.М. Влияние формирования субмикрокристаллической структуры на полевую электронную эмиссию никеля. // ДАН России, т.372, №3, 2000, с.319-321

23. Зубаиров Л.Р.,Литвинов Е.А, Ивченко В.А, Мулюков Р.Р, Юмагузин Ю.М. Полевая эмиссия из субмикрокристаллического вольфрама. // Письма в ЖЭТФ, т.72, вып.5, 2000, с.377-381

24. Бахтизин Р.З., Лобанов В.М., Юмагузин Ю.М. Эмиссионные свойства углеродного ПАН волокна. // Поверхность. Физика, Химия, Механика. № 8, 2000, с.53-58.

320

25. Пшеничнюк С. А, Юмагузин Ю.М. Химическая чистота алмазоподобных пленок, полученных методом ионно-лучевого осаждения. // ЖТФ, т.71, вып. 10, 2001 с.99-103.

26. Лобанов В.М., Юмагузин Ю.М. Термополевая перестройка углеродного кристаллита. // Письма в ЖТФ, т.28, вып.1, 2002, с.3-10

27. Mulyukov R.R., Litvinov Е.А., Yumaguzin Y.M. et all. Characteristics of Field Emission from Nanocrystalline Materials. // Physica B: Condensed Matter, Vol. 324, 2002, pp. 329-335.

28. Лобанов B.M., Юмагузин Ю.М. Эмиссионные свойства углеродного нанокристаллита. // ФТТ, т.44, вып.З, 2002, с.462-463

29. Pchenichnyk S.A., Yumaguzin Y.M. Field emission energy distribution of electrons from tungsten tip emitters coated with diamond-like film prepared by ion-beam deposition. // Diamond and Related Materials. 13, 2004, p. 125-132.

30. Lachinov A.N., Kornilov V.M., Yumaguzin Yu.M. Electron emission from polimer films under eiectric-field influence. // Journal of the SID, 12/2, 2004, p.149-151

31. Пшеничнюк C.A, Юмагузин Ю.М. Энергетические распределения электронов, эмитированных с поверхности вольфрамовых острий, покрытых алмазоподобными пленками. // ЖТФ, т.74, вып.5, 2004, с. 105112

32. Зубаиров Л.Р., Ивченко В.А., Мулюков P.P., Юмагузин Ю.М. Расшифровка сложных спектров электронов автоэмиссии для катодов с неоднородной работой выхода. // ЖТФ, т.74, вып.6, 2004, с.96-101

33. Мулюков P.P., Юмагузин Ю.М. Работа выхода электронов из нанокристаллического вольфрама. // ДАН России, т.399, №6, 2004, с.760-762

34. Ю.М.Юмагузин, В.М.Корнилов, А.Н.Лачинов. Энергетические распределения электронов в системе металл-полимер-вакуум. // ЖЭТФ, Т. 130, вып.2, 2006, с.303-308

35. Бахтизин Р.З., Лобанов В.М., Холин Н.А., Чубаров В.Т., Юмагузин Ю.М. Способ изготовления острийных автоэмиттеров и устройство для его осуществления. // А.С. № 1482468 от 22.01.89

36. Лачинов А. Н., Салазкин С.Н., Юмагузин Ю.М. Применение электроактивных полимеров класса полигетероариленов в качестве покрытий, обладающих повышенной эмиссионной способностью. // Патент РФ. №2237313, от 27.09.2004

37. Лачинов А. Н., Салазкин С.Н., Юмагузин Ю.М. Полевой эмиссионный катод и способы его изготовления. // Патент РФ. №2271053, от 27.02.2006

321

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе проведен подробный анализ распределений электронов по полным энергиям и по энергиям от составляющих скорости электрона при туннелировании, выражение для «поперечного» распределения получено впервые. Этот результат, в принципе, может являться началом развития новой экспериментальной методики - полевой эмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. В работе рассчитаны соотношения для углового распределения и перевода его на распределение электронов по «поперечным» энергиям. Представлена экспериментальная модель и методика для измерения углового распределения электронов. Оценены вклады линзового эффекта, сферической аберрации, дифракции на угловое распределение и установлено, что эти вклады имеют меньшее влияние. Методика экспериментального измерения углового распределения с одновременной полевой электронной микроскопией и измерением распределения по полным энергиям, может дать более полную информацию об электронных свойствах образцов.

Главным элементом экспериментальной электронной спектроскопии, естественно, является анализатор энергий - его свойства, параметры. С целью создания полевого электронного спектрометра проведен анализ существующих конструкций анализаторов. Обращается внимание на то, что кроме основных параметров (разрешение, анализируемый энергетический диапазон, чувствительность, быстродействие) необходимо добавить также возможность изготовления элементов электродной системы и его сборка в обычных лабораторных условиях, простота юстировки при перемещении эмиттера и удобство работы с анализатором.

Рассчитанные и изготовленные по оптимально выбранным конструкциям экспериментальные приборы не уступают по своим параметрам известным современным полевым электронным спектрометрам. При разработке анализаторов освоенные методы расчета

306 электронных траекторий в электронно-оптической системе, что касается в большей степени анализатора с дисперсионным элементом, позволили лучше понимать работу анализатора и варьировать при необходимости его взаимозависимыми характеристиками такими, как, разрешение, полный анализируемый ток, энергетический и динамический диапазоны. Рассчитаны и реализованы оригинальные конструкции анализаторов электронов по энергиям с задерживающим полем и дисперсионным элементом.

Возможность совмещения двух экспериментальных методов в одном приборе, измерение распределения по полным энергиям и измерение углового распределения - «поперечного» энергетического распределения, является вообще уникальным.

Большое внимание в работе уделялось системе регистрации анализируемого тока в зонде, режимам работы детекторов и современным средствам программного измерения и обработки результатов с помощью персональных компьютеров. Поскольку работа выполнялась достаточно долго и поэтому охватила все типы ПК, начиная от «Электроника-60» и заканчивая сегодняшними более мощными персональными компьютерами. Создана экспериментальная установка и разработана методика измерения энергетического распределения электронов с помощью измерительно-вычислительного комплекса.

Результаты работ, посвященных исследованию энергетического распределения электронов при термо- и фотополевой электронной эмиссии могут дать информацию о взаимодействии возбужденных электронов с потенциальным барьером на поверхности металла в широком диапазоне энергий. Исследование энергетического распределения электронов также могут быть успешно использованы для изучения температурной зависимости работы выхода.

В данной работе экспериментально исследовано энергетическое

307 распределение электронов из вольфрама в кристаллографических направлениях {112}, {111}, {116} в высокоэнергетической области энергий при различных значениях эмиссионного напряжения. Проведен анализ экспериментально полученных результатов и установлено, что данные, аналогичные результатам экспериментальных работ других авторов [77, 82, 85], плохо согласуются с существующими теориями многочастичного туннелирования [76, 79] и теорией, связанной с конечностью времени жизни электрона [80]. Впервые обоснована необходимость учета статистического характера электронной эмиссии для объяснения экспериментально наблюдаемых отклонений энергетического распределения электронов в области низких и высоких энергий относительно уровня Ферми. Впервые проведен расчет парного взаимодействия электронов в вакууме. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными и позволяют удовлетворительно описать поведение энергетического распределения электронов как в области высоких, так и низких энергий и дают, тем самым, объяснение высоко- и низкоэнергетических "хвостов" функции распределения.

Принятое в исследовании представление об углеродном ПАН-волокне как об углеграфитовом материале, состоящее из аморфной и кристаллической фазы, позволяет распространить полученные результаты и на другие углеграфитовые материалы, такие как, стеклоуглерод, пироуглерод и другие. В частности, может быть обобщена модель полевой эмиссии электронов из кристаллита ПАН УВ-эмиттера, связывающая механизм проникновения электрического поля в его приповерхностную область с появлением аномально широкого энергетического распределения электронов с дополнительным максимумом.

Полученные результаты по термической зависимости плотности поверхностных электронных состояний позволяют объяснить более

308 широкую, по сравнению с металлами, форму спектров не только разогревом электронов проникающим полем, что находится в согласии с результатами других исследователей, но также и влиянием поверхностных электронных состояний, уменьшающих поток электронов, эмитирующих с энергиями вблизи уровня Ферми.

Ясно, что объяснения механизмов изучавшихся в работе явлений носят качественный характер. Для более детального описания этих явлений нужны дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования эмиссионных свойств углеграфитовых эмиттеров. В частности, необходимы детальные исследования по анализу распределения по энергиям при адсорбции-десорбции кислорода, при прогревах разной длительности и температуры, при низких температурах, сравнительные исследования поверхностной диффузии атомов углерода в обоих состояниях эмитирующего кристаллита, исследования по самопроизвольной и термополевой перестройке в полевом ионном микроскопе. Необходимо отметить, что обнаруженное явление термополевой перестройки углеграфитовых кристаллитов интересно и с практической точки зрения как их пластическое поведение при температурах ниже 1000 °С.

Одним из перспективных материалов в современной науке и технике является углеродосодержащие материалы (фуллерены, углеродные нанотрубки, алмазоподобные пленки, полимерные пленки). Перспективность их использования продиктована не только в эмиссионной электронике, но и во многих других областях электроники и т.д. В связи с этим, особо актуальным является экспериментальное исследование их электронных свойств.

Ниже перечислены задачи, решённые при выполнении данной работы для достижения поставленной цели. Основные из них сводятся к следующим:

309

1. При выполнении работы проведён обзор большого количества литературы, как монографий, так и статей российских и зарубежных авторов и исследовательских групп, посвящённых получению и исследованию алмазоподобных плёнок на различных подложках всевозможными методами. Особый интерес здесь представляют работы, связанные с полевой электронной эмиссией катодов, изготовленных на основе углеродных покрытий, поскольку эта область применения алмазных плёнок бурно развивается и требует обобщения накопленных экспериментальных данных. В диссертации приведено множество ссылок, полезных специалистам, занимающимся получением алмазных плёнок и исследованием их структуры, массового состава, электрических и оптических свойств.

2. Собраны установки для получения углеродных конденсатов методом химического парофазного осаждения с использованием высокочастотного безэлектродного тлеющего разряда и горячей нити для возбуждения плазмы рабочего газа над поверхностью подложки. Напылены покрытия на полупроводниковые, металлические и изолирующие поверхности. Исследованы структурные свойства плёнок методами сканирующей электронной микроскопии, электронной дифракции и рентгеноструктурного анализа. Получены данные по проводимости алмазоподобных плёнок на постоянном токе, их оптическим свойствам. Массовый состав образцов исследован с использованием метода вторично-ионной масс спектроскопии. Исследовано влияние условий осаждения (температуры нити накала, энергии разряда, рабочего давления, температуры подложки, степени остаточного вакуума и т.д.) на физические свойства получаемых плёнок. На основе накопленных экспериментальных данных выбран метод осаждения углеродных покрытий на полевые эмиттеры в виде очень тонких металлических острий.

310

3. Разработана и собрана экспериментальная установка для осаждения алмазоподобных плёнок методом ионно-лучевого осаждения. Этот этап включал в себя: a) сборку высоковакуумной установки, обеспечивающей давление остаточных газов не более 10"9 Topp при использовании средств безмаслянной откачки на основе магниторазрядного насоса ТРИОН НМТО-О.1-1. Предварительный вакуум в системе создавался турбомолекулярным насосом ВМН-150М, откачиваемым с помощью механического форвакуумного пластинчато-роторного насоса 2НВР-5ДМ. Установка также снабжалась системой прогрева с целью обезгаживания рабочей камеры при смене образца. b) разработку и изготовление источника положительных ионов углерода типа дуоплазмотрон с системой охлаждения разрядной камеры и напуска рабочего газа с использованием пьезокерамического натекателя. Весь узел собирался на отдельном фланце с целью присоединения к вакуумной системе. Конструкция катодного узла дуоплазмотрона предусматривала возможность замены накального катода и размещалась на отдельном разборном фланцевом соединении. c) изготовление электронно-оптической системы формирования пучка положительных ионов, включающей в себя вытягивающий электрод, электростатическую одиночную линзу, отклоняющую систему и систему замедления пучка ионов перед осаждением на подложку. d) Сборку столика для крепления подложек на отдельном фланце с резиновым уплотнением, дающим возможность осуществить быструю смену образца. Конструкция столика предусматривала крепление как плоских подложек из различных материалов, так и острий, с целью изготовления полевых эмиттеров на основе углеродных покрытий, а также прогрев образца и контроль его температуры с помощью встроенных нагревателя и температурного датчика сопротивления в случае плоских

311 подложек и путём пропускания тока через дужку в случае осаждения плёнки на остриё.

4. С помощью вышеописанной системы ионно-лучевого осаждения напылены углеродные покрытия на поверхности плоских подложек из различных материалов: вольфрам, стекло, монокристаллический кремний (100), керамика. Проведено детальное изучение структуры покрытий методом сканирующей электронной микроскопии. Методом вторично-ионной масс спектроскопии получены данные о химическом составе образцов. С учётом результатов, полученных на плоских подложках, выбраны оптимальные режимы нанесения алмазоподобных плёнок на автоэлектронные эмиттеры, в качестве которых использовались вольфрамовые острия, изготовленные из поликристаллической проволоки, с преимущественной (011) ориентацией зёрен, методом электрохимического травления в водном растворе щёлочи. Получены слои углерода на остриях с различной толщиной при выбранных значениях энергии падающих частиц, дозы и времени облучения.

5. Образцы эмиттеров с алмазоподобным покрытием исследованы на полевом эмиссионном спектрометре с учётом специфики автоэлектронной эмиссии систем металлическое остриё/полупроводниковая плёнка. Выяснен оптимальный метод предварительной формовки эмиттера с целью стабилизации его эмиссионных свойств. Использованы различные способы сравнения характеристик полевой эмиссии чистых вольфрамовых острий и после покрытия их углеродной плёнкой и выяснения роли полупроводящего алмазоподобного покрытия при «холодной» электронной эмиссии таких систем. Получены вольтамперные характеристики полного тока, а также с отдельных граней всей эмитирующей поверхности острия. Наибольший интерес представляют полученные в работе распределения электронов по энергиям, эмитированных поверхностью алмазной плёнки, снятые с использованием

312 высокоразрешающего дисперсионного анализатора и вторичного электронного умножителя, позволяющего регистрировать очень слабые токи. Исследованы также временные зависимости тока автоэлектронной эмиссии с целью исследования стабильности эмиссионных свойств полученных катодов и влияние температуры острия и освещения на ход ВАХ. Образцы покрытых алмазоподобной плёнкой катодов изучены с использованием метода полевой электронной микроскопии. Полученные данные дают возможность сделать некоторые заключения о структуре углеродного слоя на конце вольфрамового острия, а также об адсорбционной способности различных граней и процессах миграции атомов по поверхности острия. Наиболее интересные особенности эмиссионных изображений фиксировались с помощью видеосъёмки. Этот метод оказался полезным при оценке устойчивости алмазоподобного покрытия по отношению к бомбардировке ионами остаточных газов и их адсорбции на поверхности эмиттера, приводящей к изменению его эмиссионных характеристик.

6. Проведено обобщение накопленных экспериментальных результатов, выяснены некоторые общие закономерности процесса полевой эмиссии системы W остриё/алмазная плёнка. При интерпретации полученных данных обсуждены вопросы электронной структуры полученных слоёв: ширины запрещённой зоны, наличия поверхностных состояний, локальных уровней и зон дефектов в плёнках. Также обсуждены различные механизмы, сопровождающие процессы переноса электронов из вольфрамовой подложки через алмазную плёнку в вакуум. При этом учтены инжекция носителей в зону проводимости полупроводникового слоя, их рассеяние в плёнке и туннелирование в вакуум. Также учтена возможность изоэнергетического туннельного прохода электронов через тонкий слой и эмиссия из валентной зоны материала. Отмечены некоторые возможные механизмы переноса

313 электронов через слой углерода. Обращено внимание на наличие размерных эффектов, вплоть до квантовых, при использовании алмазоподобных слоев малых толщин. На основе этого намечены пути построения теории автоэлектронной эмиссии изученных систем с целью более глубокого осмысления экспериментальных данных. Наконец, обсуждены вопросы стабильности эмиссионных характеристик эмиттеров данного типа. Показано влияние покрытия на изменение работы выхода поверхности металла. Приведены некоторые замечания, касающиеся технического применения рассмотренных катодов, их изготовления, обработки и условиях функционирования.

В работе проведено изучение полевой эмиссии электронов из полимерной пленки, нанесенной на металлическую поверхность. Явление аномально высокой проводимости в тонких полимерных пленках это одно из немногих проявлений наноэлектронных свойств материалов, то есть электронных свойств, присущих только объектам пониженной размерности. Природа этого явления до сих пор не ясна, несмотря на относительно большой объем различных экспериментальных данных. В частности, не известны экспериментальные работы, из результатов которых можно было бы судить о характере распределения электронных состояний в полимерной пленке. В работе экспериментально изучалось энергетическое распределение эмитированных электронов и предложена физическая модель полевой эмиссии для структуры металл-полимер-вакуум. В качестве полимера был выбран полидифениленфталид (ПДФ) [304], в котором ранее изучался переход типа диэлектрик-металл, индуцированный различными внешними воздействиями [305]. В качестве подложки для полимера были использованы вольфрамовые острия.

По характеристикам Фаулера-Нордгейма для атомарно чистого вольфрамового острия и для острия с нанесенной на его поверхность полимерной плёнки, получено значение эффективной работы выхода для

314 полимерного покрытия равной 0,4 эВ. Анализ представленных зависимостей энергетического распределения эмитированных электронов показывает, что распределение для случая с полимером более широкое, смещено в сторону низких энергий и высокоэнергетический край немного растянут. Изучено влияние величины эмиссионного напряжения на вид энергетического распределения эмитированных электронов. В рамках феноменологической модели можно найти объяснение значительному уменьшению эффективной работы выхода при покрытии полимерной пленкой металлического электрода, и понять характер энергетического распределения эмитированных электронов с такой поверхности.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Юмагузин, Юлай Мухаметович, 2007 год

1. Бахтизин Р.З., Лобанов В.М., Юмагузин Ю.М. Автоматизация снятия ВАХ тока автоэлектронной эмиссии // Измерительная техника.-1985.-№12.- C.I4I-I45.

2. Бахтизин Р.З., Юмагузин Ю.М. Исследование высокоэнергетического края распределения автоэлектронов по полным энергиям // Поверхность. 1987. - №7. - С. 51-55.

3. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.И. Физические явления в уль традисперсных средах // М.: Наука. 1984. - С. 224.

4. Birringer R. and Gleiter Н. Nanocrystalline Materials / In: Encyclopedia of Materials. Sci. and Eng. Suppl., ed. R.W. Cahn // Pergamon Press.1988.-Vol. l.-P. 339-351.

5. Гусев А.И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях // УФН. 1998. - т. 168. - № 1. - С. 55-83.

6. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов // М.: Металлургия. 1984. - С. 280.329

7. Кайбышев О.А., Валиев Р.З. Границы зёрен и свойства металлов // М.: Металлургия. 1987. - С. 214.

8. Valiev R.Z., Musalimov R.Sh. High-Resolution Transmission Electron Microscopy of Nanocrystalline Materials // The Physics of Metals and Metallography. 1994. - Vol. 78. - No. 6. - P. 666-670.

9. Herr U., Jing J., Birringer R. et al. Investigation of nanocrystalline iron materials by Mossbauer spectroscopy// Appl. Phys. Lett. -1987. -Vol. 50. -No 8.- P. 472.

10. V.N. Kaigorodov and S.M. Klotsman Investigation of nanometer-sized-polycrystalline palladium by emissive nuclear-7-ray resonance spectroscopy // Phys. Rev. B. 1992. - Vol. 46. - No. 10. - P. 5928-5932.

11. Valiev R.Z., Vishnyakov Ya.D., Mulyukov R.R. and Fainstrein G.S. On the Decrease of Gurie Temperature in Submicron-Grained Nickel // Phys. Stat. Sol.(a). 1990. - 117. - P. 549-553.

12. R.Z. Valiev, R.R. Mulyukov, V.V. Ovchinnikov Direction of a grain boundary phase in submicrometre grained iron // Philosophical Magazine Letters. 1990. - Vol. 62. - No. 4. - P. 253-256.

13. Валиев P.3., Герцман В.Ю. Кристаллографический анализ границ зёрен в практике электронной микроскопии // М.: Наука. 1991. - С. 232.

14. Орлов А.Н., Перевезенцев В.Н., Рыбин В.В. Границы зёрен в металлах // М.: Металлургия. 1980. - С. 156.

15. Косевич В.М., Иевлич В.М., Палатник Л.С, Федоренко И.А.332

16. Т.Г.Загуренко, В.М.Корнилов, А.Н. Лачинов. Влияние неравновесной микроструктуры меди на электрофизические свойства системы металл-полимер-металл // ФММ. 2002. - т. 94. -№ 6. - С. 26-33.

17. Као К., Хуанг В. Перенос электронов в твёрдых телах // М.: Мир. -1984. т. 1. - С. 350.333

18. Смирнова H.A., Левит В.И., Пилюгин В.П. и др. Особенности низкотемпературной кристаллизации никеля и меди // ФММ. 1986. -т. 62. - вып. 3. - С. 566-570.

19. Бриджмен П.В. Исследование больших пластических деформаций и разрыва // М.: Иностранная литература. 1955. - С. 444.

20. Балкарей Ю.И., Сандомирский В.Б. Эффекты проникновения внешнего электрического поля в полуметаллы и металлы // ЖЭТФ. -1968. т. 54. вып. 3. - С. 808-817.

21. Dresselhaus, G. Dresselhaus, К. Sugihara, I.L. Spain, H.A. Goldberg. Graphite Fibers and Filaments. Springer-Verland Berlin Heidelberg, 1988.335

22. Бондаренко Б.В., Раевский В.Ю., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия углеродных волокон. // Тез. докл. IV Всесоюзный симпозиум по ненакаливаемым катодам.- Томск, 1980.- С.47-48.

23. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников.- М.: Высш. школа, 1984,- С.203.

24. C.A.Hewett, J.R.Zeidler//Diamond and Related Materials, 1, 1992,p.688.2 40. P.R.Chalker et. al. //Diamond and Related Materials, 2, 1993, p.l 100.

25. А.Н.Лачинов, В.М.КорниловТ.Г.Загуренко, А.Ю.Жеребов. ЖЭТФ, 2006, т. 129, вып. 4, стр. 728-734.